分数微积分理论在车辆底盘控制中的应用研究

摘要

悬架系统和转向系统是汽车底盘控制系统中的核心部分，其性能的优劣直接影响汽车的乘坐舒适性和操纵安全性。近十多年来，基于分数微积分理论发展起来的分数阶控制理论得到许多国内外专家、学者的关注，但在车辆控制应用中，只有少数外国学者在汽车悬架系统控制的研究中应用了分数阶理论，而且仍处在于起步阶段。本课题将分数微积分理论引入到底盘控制中，进行建模、仿真分析和研究。 本文首先介绍了分数阶微积分的定义、性质、计算方法及控制方法等基础理论知识。然后，在对1/4车辆悬架系统研究的基础上，结合振动控制理论和技术，设计了三种新的悬架控制系统，分别应用分数阶微积分理论的最优控制策略、CRONE控制策略和结合磁流变技术的半主动CRONE控制策略。在Matlab/Simulink环境下，对上述三种控制策略下的悬架控制系统进行了建模与仿真，通过对B级路面激励下仿真结果分析，表明本文所建立的悬架，与被动悬架相比在很大程度上降低了车身垂直加速度和轮胎动载荷，较好的改善了车辆行驶平顺性和安全性，而且悬架动挠度相对其他整数阶控制方法也有一定的改善，减小了悬架上下问发生碰撞的概率。特别指出，后两种控制策略的悬架系统，具有一定的鲁棒性，而且能耗降低，但也增加了系统的复杂性。 然后在对转向系统的转向特性、动力学和运动学规律研究的基础上，建立了四轮转向系统的动力学模型，分析了前轮转角输入时的稳态和瞬态响应。然后，结合分数微积分理论提出了前馈比例控制和前馈与反馈综合控制的四轮转向系统，并在Matlab/Simulink环境下，建立仿真模型。从仿真结果可以得到，分数阶控制的四轮转向系统较传统的二轮转向系统无论是低速时的机动性还是高速时的稳定性都有很大的提高：与比例控制的四轮转向系统相比其性能略微变差，仍非常接近，但是在高速时汽车的转变半径相对更小，改善了汽车的转向灵活性。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

第一章绪论

1.1问题的提出及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1主动底盘技术简介

1.2.2控制方法简介

1.3本课题的研究目的和研究内容

第二章基础理论知识

2.1分数阶微积分定义

2.1.1 Grunwald-Letnikov定义

2.1.2 Riemann-Liouville定义

2.1.3 Caputo定义

2.2简单性质

2.3分数阶微分算子的数值计算方法

2.3.1 Carlson连分式近似方法

2.3.2 Oustloup曲线拟合近似方法

2.4 CRONE控制方法

2.4.1 CRONE控制在闭环系统中的动力学特性

2.4.2动力学性能相关频率

2.4.3 CRONE控制包含模板的开环传递函数

2.5仿真环境

2.6本章小结

第三章车辆悬架控制系统的分析研究

3.1车辆悬架控制系统类型

3.1.1被动悬架

3.1.2主动悬架

3.1.3半主动悬架

3.2悬架系统的性能评价指标

3.3路面不平度的功率谱及其输入模型

3.4磁流变减振器

3.5车辆悬架线性二自由度模型

3.6本章小结

第四章基于分数阶微积分理论的悬架系统建模与控制分析

4.1主动悬架系统控制

4.1.1主动悬架控制系统的控制理论与方法

4.1.2汽车主动悬架设计中的最优控制理论

4.2基于分数阶微积分理论最优控制的主动悬架

4.2.1主动悬架模型的建立

4.2.2随机路面激励时域模型的建立与仿真

4.2.3分数阶微积分算子的计算方法

4.2.4仿真对比

4.3基于CRONE控制方法的主动悬架

4.3.1车辆模型

4.3.2 CRONE悬架传递函数的综合分析

4.3.3性能分析

4.3.4仿真对比

4.4基于磁流变半主动控制的CRONE悬架研究

4.4.1建立磁流变阻尼半主动控制CRONE悬架模型

4.4.2仿真分析

4.5本章小结

第五章四轮转向汽车的理论研究与控制分析

5.1四轮转向汽车的转向特性

5.1.1 4WS车辆低速和高速时的转向特性

5.1.2 4WS车辆与传统2WS车辆性能比较

5.2四轮转向汽车的动力学模型研究

5.3四轮转向汽车模型对前轮角输入的响应

5.3.1前轮角阶跃输入下的4WS汽车稳态响应

5.3.2前轮角阶跃输入下的4WS汽车瞬态响应

5.4四轮转向汽车控制方法选择与控制分析

5.4.1四轮转向汽车控制方法

5.4.2控制分析

5.5前馈和反馈综合控制的四轮转向控制分析

5.5.1时域分析

5.5.2频域分析

5.6本章小结

第六章结论与展望

6.1论文结论

6.2研究展望

参考文献

在学期间的研究成果